JPH11233128A

JPH11233128A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH11233128A
Application number: JP10035154A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tanaka; 一郎田中; Tsugio Oba; 次雄大場; Koji Okazaki; 幸治岡崎; Shigetoshi Sugita; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス洩れ等がなく、所望のセル性能を有効に確
保するとともに、加工作業を簡素化することを可能にす
る。【解決手段】燃料電池セル１２を挟持する第１および第
２セパレータ１４、１６を備える。第１セパレータ１４
は、燃料ガス流路４０を有するとともに、この燃料ガス
流路４０を囲繞して、すなわち、アノード側電極２０を
囲繞して第１周回溝部４２を設ける。この第１周回溝部
４２に伸縮性を有する第１管体５４が配設され、この第
１管体５４が電解質膜１８に密着する。一方、第２セパ
レータ１６は、カソード側電極２２を囲繞して第２周回
溝部５２を設け、この第２周回溝部５２に電解質膜１８
に密着する伸縮性を有する第２管体５６が配設される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池セ
ルと、前記燃料電池セルを挟持するセパレータとを備え
た燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子型燃料電池は、高分
子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両
側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極が対
設された燃料電池構造体（以下、燃料電池セルという）
を、セパレータによって挟持することにより構成される
とともに、前記アノード側電極および前記カソード側電
極には、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する
ために、通常、導電性を有する多孔質層、例えば、多孔
質カーボンペーパが配設されている。そして、この燃料
電池セルは、一般的に、所定数だけ積層されることによ
って燃料電池セルスタックとして使用されている。

【０００３】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上
で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介して
カソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が
外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用
される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸
素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソ
ード側電極において、前記水素イオン、前記電子および
酸素が反応して水が生成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の燃料
電池では、セパレータと電解質との間から外部に燃料ガ
スや酸化剤ガスが漏洩することを阻止するために、シー
ル構造が採用されている。しかしながら、Ｏリング等の
通常のシール構造により電解質をセパレータ間に確実に
密着保持しようとすると、前記セパレータ同士の締め付
け力が増大して特に多孔質層であるカーボンペーパに過
度の押圧力が作用し、該カーボンペーパが損傷するおそ
れがある。一方、カーボンペーパへの押圧力を緩和させ
ようとすると、電解質とカーボンペーパとの密着性が低
下してしまい、接触抵抗が増加してセル性能が悪化する
という問題が指摘されている。

【０００５】このため、セパレータやシール構造の加工
精度を高く維持する必要があり、加工作業が相当に煩雑
化してしまうという問題がある。特に、最近、燃料電池
セル自体の小型化が望まれており、上記加工作業が一層
困難なものになっている。

【０００６】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、ガス漏れ等がなく、所望のセル性能を有効に確保
するとともに、加工作業を簡素化することが可能な燃料
電池を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池で
は、少なくとも一方のセパレータに、アノード側電極ま
たはカソード側電極を囲繞する周回溝部が設けられ、こ
の周回溝部に配設されている伸縮性管体が電解質に密着
する。このため、伸縮性管体自体が容易に変形して電解
質をセパレータ間に確実に密着保持するとともに、ガス
拡散層である、例えば、多孔質カーボンペーパに過度の
押圧力が作用することを阻止することが可能になる。従
って、所望のセル性能を有効に確保することができ、し
かもセパレータ等の加工精度を高く設定する必要がな
い。さらに、伸縮性管体内に気体が封入されており、こ
の伸縮性管体が容易かつ確実に変形してシール性が一層
向上する。

【０００８】また、伸縮性管体は、それ自体が筒状を有
する他に、周回溝部を構成する壁部に開放側端面が固着
されて該壁部との間で空間部を形成する構成であっても
よい。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、
前記燃料電池１０の断面平面説明図である。

【００１０】燃料電池１０は、燃料電池セル１２と、こ
の燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレー
タ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だ
け積層されている。燃料電池セル１２は、固体高分子電
解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるア
ノード側電極２０およびカソード側電極２２とを有する
とともに、前記アノード側電極２０および前記カソード
側電極２２には、例えば、多孔質カーボンペーパ等の多
孔質層である第１および第２ガス拡散層２４、２６が配
設される。

【００１１】燃料電池セル１２の両側には、第１および
第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケ
ット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層
２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、
前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および
第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４
を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガス拡散
層２４、２６と第１および第２ガスケット２８、３０と
が、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持
される。

【００１２】図１および図３に示すように、第１セパレ
ータ１４は、その上部側に水素等の燃料ガスを通過させ
るための孔部３６ａと、冷却水を通過させるための孔部
３６ｂと、酸素または空気である酸化剤ガスを通過させ
るための孔部３６ｃとを設ける。第１セパレータ１４の
下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部３８ａ
と、冷却水を通過させるための孔部３８ｂと、酸化剤ガ
スを通過させるための孔部３８ｃとが設けられる。

【００１３】第１セパレータ１４のアノード側電極２０
に対向する面１４ａには、孔部３６ａ、３８ａを連通す
る複数条の燃料ガス流路４０が形成される。燃料ガス流
路４０は、入口側である孔部３６ａから出口側である孔
部３８ａに重力方向（矢印Ａ方向）に向かって延在して
構成されている。

【００１４】第１セパレータ１４の面１４ａには、燃料
ガス流路４０を囲繞して、すなわち、アノード側電極２
０を囲繞して第１周回溝部４２が所定の深さに形成され
る。第１周回溝部４２は、開口断面矩形状を有してお
り、第１セパレータ１４の上部および下部において、そ
れぞれの孔部３６ａ〜３６ｃおよび３８ａ〜３８ｃを周
回している。

【００１５】第１セパレータ１４の反対側の面１４ｂに
は、図２に示すように、孔部３６ｂ、３８ｂを連通する
複数条の冷却水通路４４が形成される。この冷却水通路
４４は、第１セパレータ１４の面１４ｂを重力方向に沿
って延在して設けられている。面１４ｂには、第１セパ
レータ１４が第２セパレータ１６に重ね合わされる際
に、これらの間の気密性および液密性を確保するための
シール部材１５が設けられている。

【００１６】図４に示すように、第２セパレータ１６
は、上部側に燃料ガス用孔部４６ａと、冷却水用孔部４
６ｂと、酸化剤ガス用孔部４６ｃとを設ける一方、この
第２セパレータ１６の下部側には、燃料ガス用孔部４８
ａと、冷却水用孔部４８ｂと、酸化剤ガス用孔部４８ｃ
とが設けられる。第２セパレータ１６のカソード側電極
２２に対向する面１６ａには、孔部４６ｃ、４８ｃを連
通する複数条の酸化剤ガス流路５０が形成される。

【００１７】酸化剤ガス流路５０は、燃料ガス流路４０
と同様に、重力方向に向かって延在している。第２セパ
レータ１６の面１６ａには、酸化剤ガス流路５０を囲繞
して、すなわち、カソード側電極２２を囲繞して第２周
回溝部５２が形成される。第２周回溝部５２は、開口断
面略矩形状を有しており、第２セパレータ１６の上部お
よび下部においてそれぞれの孔部４６ａ〜４６ｃおよび
孔部４８ａ〜４８ｃを周回して設けられている。

【００１８】第１および第２周回溝部４２、５２は、第
１および第２セパレータ１４、１６が燃料電池セル１２
を挟んで対設される際に互いに一致する位置にかつ一致
する形状に設定されている。第１および第２周回溝部４
２、５２には、電解質膜１８に密着する伸縮性の第１お
よび第２管体５４、５６が配設される。この第１および
第２管体５４、５６内には、空気等のガスが封入されて
いる。

【００１９】図５に示すように、第１および第２周回溝
部４２、５２に配設されている第１および第２管体５
４、５６は、第１および第２セパレータ１４、１６が燃
料電池セル１２から分離された状態でこの第１および第
２セパレータ１４、１６の面１４ａ、１６ａから外方に
所定の距離だけ突出している。第１および第２管体５
４、５６は、第１および第２セパレータ１４、１６が燃
料電池セル１２を挟持して対設される際に変形して電解
質膜１８を確実に密着保持し得るように所定の弾発力を
有している。

【００２０】このように構成される第１の実施形態に係
る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

【００２１】燃料電池１０内に燃料ガスとして水素が供
給されるとともに、酸化剤ガスとして空気（または
Ｏ₂）が供給される。水素は、第１セパレータ１４の孔
部３６ａから燃料ガス流路４０に導入され、この燃料ガ
ス流路４０に沿って重力方向に移動しながら第１ガス拡
散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極２
０に供給される。

【００２２】一方、第２セパレータ１６の孔部４６ｂに
供給された空気（Ｏ₂）は、酸化剤ガス流路５０に沿っ
て重力方向に移動しながら第２拡散層２６を通って燃料
電池セル１２のカソード側電極２２に供給される。ま
た、燃料電池１０内に供給された冷却水は、第１セパレ
ータ１４の面１４ｂに形成された冷却水通路４４を流れ
ることにより、各燃料電池セル１２を冷却する機能を営
む。

【００２３】この場合、第１の実施形態では、図５に示
すように、第１および第２セパレータ１４、１６の第１
および第２周回溝部４２、５２には、それぞれ伸縮性を
有する第１および第２管体５４、５６が配設されるとと
もに、この第１および第２管体５４、５６は、前記第１
および第２セパレータ１４、１６が互いに離間した状態
でそれぞれの面１４ａ、１６ａから所定の距離だけ外方
に突出している。

【００２４】次いで、第１および第２セパレータ１４、
１６が燃料電池セル１２を挟持して互いに対設された際
には、図２に示すように、第１および第２管体５４、５
６が第１および第２周回溝部４２、５２内で変形し、前
記燃料電池セル１２を構成する電解質膜１８を押圧挟持
する。このため、第１および第２管体５４、５６が第１
および第２セパレータ１４、１６と電解質膜１８とに確
実に密着し、燃料ガスや酸化剤ガスが前記第１および第
２セパレータ１４、１６と前記電解質膜１８との間を通
って外部に洩れることを確実に阻止することができると
いう効果が得られる。

【００２５】特に、第１および第２管体５４、５６は、
伸縮自在でかつ所定の弾発力を有しており、互いに電解
質膜１８に対し面接触で密着するため、ガスの漏洩を可
及的に防止することが可能になる。しかも、第１および
第２管体５４、５６の内部に空気等のガスが封入されて
おり、この第１および第２管体５４、５６の変形が一層
有効かつ円滑に遂行される。

【００２６】さらに、第１および第２管体５４、５６が
容易に変形し得るため、第１および第２セパレータ１
４、１６で燃料電池セル１２を必要以上に締め付ける必
要がなく、適度な締め付け状態でガス漏洩を惹起するこ
とがない。これにより、特に、多孔質カーボンペーパで
ある第１および第２ガス拡散層２４、２６の損傷を阻止
するとともに、この第１および第２ガス拡散層２４、２
６と電解質膜１８との密着性を確保し、セル性能を有効
に向上させることができるという利点がある。

【００２７】また、第１および第２セパレータ１４、１
６の加工誤差を第１および第２管体５４、５６の変形に
より吸収することが可能になり、前記第１および第２セ
パレータ１４、１６の加工精度を高く設定する必要がな
い。従って、燃料電池セル１２全体の製造作業が有効に
簡素化する。

【００２８】図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池８０の一部断面平面説明図である。なお、第１の
実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一
の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【００２９】燃料電池８０は、燃料電池セル１２を挟持
する第１および第２セパレータ８２、８４を備える。第
１セパレータ８２の面８２ａには、アノード側電極２０
および第１ガス拡散層２４を収容するための凹部８６が
形成される一方、第２セパレータ８４の面８４ａには、
カソード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収容す
るための凹部８８が形成される。

【００３０】第２セパレータ８４の面８４ａには、カソ
ード側電極２２を囲繞して周回溝部９０が形成され、こ
の周回溝部９０に伸縮性を有する管体９２が配設され
る。管体９２の内部には、空気等のガスが封入されてお
り、第１および第２セパレータ８２、８４が互いに離間
した状態で、この管体９２の一部が第２セパレータ８４
の面８４ａより外部に突出している。

【００３１】このように構成される第２の実施形態で
は、第１および第２セパレータ８２、８４が燃料電池セ
ル１２を挟持して互いに締め付け固定される際、周回溝
部９０に配設されている管体９２が前記燃料電池セル１
２の電解質膜１８に密着する。これにより、管体９２と
第１セパレータ８２の面８２ａとにより電解質膜１８を
確実に密着保持することができ、簡単な構成で、ガスの
漏洩を確実に阻止するとともに、セル性能を高く維持す
ることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が
得られる。

【００３２】なお、第２の実施形態では、第２セパレー
タ８４に周回溝部９０を設けているが、第１セパレータ
８２にこの周回溝部９０に相当する溝部を設けても同様
の効果が得られることになる。

【００３３】図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃
料電池１００の一部断面平面説明図である。なお、第２
の実施形態に係る燃料電池８０と同一の構成要素には同
一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【００３４】この燃料電池１００を構成する第２セパレ
ータ８４の周回溝部９０には、可撓性部材１０２が設け
られる。この可撓性部材１０２は、開放側の端面１０２
ａ、１０２ｂが周回溝部９０を構成する壁面１０４に固
着されることにより、この壁面１０４との間で空間部１
０６を形成する。空間部１０６には、空気等のガスが封
入されている。

【００３５】上記のように、第３の実施形態では、第２
セパレータ８４側に伸縮性を有する管体を構成する可撓
性部材１０２が設けられており、第２の実施形態と同様
の効果を有することになる。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池では、少なくとも
一方のセパレータにアノード側電極またはカソード側電
極を囲繞する周回溝部が設けられ、この周回溝部に配設
される伸縮性管体が変形自在に電解質に密着するため、
この電解質をセパレータ間に確実に密着保持することが
できる。しかも、燃料電池セル自体の密着性を向上させ
ることができ、接触抵抗を有効に低減して所望のセル性
能を確保することが可能になる。さらに、セパレータ等
の加工精度を高く設定する必要がなく、製造作業全体を
経済的かつ効率的に遂行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部
分解斜視図である。

【図２】前記燃料電池の断面平面説明図である。

【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面
説明図である。

【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面
説明図である。

【図５】前記燃料電池の分解状態を示す一部断面平面説
明図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部
断面平面説明図である。

【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の一部
断面平面説明図である。

【符号の説明】

１０、８０、１００…燃料電池１２…燃料電池セル１４、１６、８２、８４…セパレータ１８…電解質膜２０…アノード側電
極２２…カソード側電極２４、２６…ガス拡
散層４０…燃料ガス流路４２、５２、９０…
周回溝部５０…酸化剤ガス流路５４、５６、９２…
管体８６、８８…凹部１０２…可撓性部材１０４…壁面１０６…空間部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉田成利埼玉県和光市中央１−４−１株式会社本田技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質をアノード側電極とカソード側電極
で挟んで構成される燃料電池セルと、前記燃料電池セル
を挟持するセパレータとを備え、少なくとも一方のセパレータは、前記アノード側電極ま
たは前記カソード側電極を囲繞する周回溝部を設けると
ともに、前記周回溝部には、前記電解質に密着する伸縮性管体が
配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記伸
縮性管体内には、気体が封入されることを特徴とする燃
料電池。
【請求項３】請求項１または２記載の燃料電池におい
て、前記アノード側電極および前記カソード側電極に
は、ガス拡散層である多孔質カーボンペーパが設けられ
ることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】請求項１記載の燃料電池において、前記伸
縮性管体は、前記周回溝部を構成する壁部に開放側端面
が固着されることにより、該壁部との間で空間部を形成
する可撓性部材であることを特徴とする燃料電池。